電動汽車電池管理系統的研究與實現

陳耀陽

摘 要：隨著電動汽車發展的熱潮一浪卷一浪，我國電池管理技術趨于成熟。現在的產業鏈打通也為日后向更高層次的電池運用管理打下了堅實的基礎。為解決電動汽車電池管理系統的問題，研究了一種基于電壓、電流、溫度和阻抗的電池管理系統。首先，分析了系統工作原理，確定了蓄電池電壓和電流控制策略；然后，設計了一種新型電池充放電管理算法，并基于Matlab開發出了上位機軟件；最后，對所設計的系統進行驗證。

關鍵詞：電動汽車 電池管理系統 Matlab

1 引言

新能源車擁有可再生、零排放、運營成本低的優勢，目前已成為世界各國關注的焦點。電池管理是新能源汽車的關鍵部分，同時也是所有汽車動力系統的基礎，而且電池管理系統（BMS）是電池管理中最為關鍵的組成部分。電池管理系統的主要目的在于保證電池在應用環境中的最高效能，從而實現電池的安全應用。這可能包括開發新的控制策略，監測電池的健康狀態，并在必要時采取措施來保護電池免受過度放電或過充電的危害。

2 電池管理系統概述

2.1 電池管理系統的概念

電池管理系統作為電池與汽車之間調控的關鍵所在，電池如何工作完全取決于這個系統，他主要針對的是電池的使用壽命長短，存儲量的多少，安全性的高低，以及電車剩余續航的多少等等。電車在不斷的發展，人們對電車的要求越來越高，對此電車管理系統也增加了很多的功能來提高電車的續航。近年來，由于國家政策的推動，以及新能源本身的優勢，以鋰電池為代表的電車越來越受到市場的關注，新能源汽車的使用對于減少大氣污染、減少溫室效應、保護環境有著積極的意義。

2.2 電池管理系統的作用

電池管理系統的作用是監控電池的電量和狀態，并根據電池的情況來調整電池的使用方式，以確保電池在最優的工作狀態。例如，電池管理系統可以監測電池的電壓和溫度，并根據這些信息來調節電池的充電速率，以免過度充電或過度放電。電池管理系統還可以提供一些保護功能，例如過流保護、過壓保護和欠壓保護，以確保電池的安全運行。

3 BMS系統硬件設計

為了更好地控制動力電池，就要求我們的動力電池管理系統的分析處理能力更高，所以為了更好的管理檢測動力電池，我們就必須設計一種更適合于儲能應用的動力電池管理系統。對此，為了適應現代儲能管理系統對電池管理功能的要求，根據當前各大主要電池管理系統對比于現在使用的幾款電力采集芯片，MC33771擁有更多的電流采集通道和在寬溫區域內最高的電流檢測準確度，同時利用菊花鏈通信的方法取消了較昂貴的數字隔離器，因此選擇了MCMC33771為模擬量流采集芯片。在各個控制器間也可以采用一個主控制臺進行系統整體的操作與協調，這樣操作方式也就能夠達到一個系統對多節電池同時監管的能力，也因為采取的是主機與控制臺之間互相結合的方法，這樣也能夠避免同一個控制臺間因為處理數據的任務量過大，導致卡頓，進而影響系統實時數據的管理能力。而我們將通過三個框架來對其實施監管的，其結構框圖如圖1顯示。

3.1 BSU硬件設計

通過計算電阻我們可以算出電池的溫度，電池電壓的采集以及電池電路如何保持平衡如圖2所示。

MC33771可以通過黃花鏈進行信息的交換互通，并采取了對相應的MOS管的開啟閉合，以達到最大開啟電壓為三百毫安的電流均衡特性。而黃花鏈可以傳遞的特點是不需要其他的高速光耦設備，也不要求有獨立電源，僅需要一臺隔離變壓器HM2012NL就可以完成在二個級聯的MC33771之間的傳遞，大大節約了生產成本。菊花鏈通過差分信號傳輸數據，但因為可以做到MC33771與控制器之間的真正通訊，就必須通過MC33664的變換器件把差分信號變換成SPI信息。菊花鏈通信的系統示意圖在圖3中顯示。

3.2 BCU與BMU硬件設計

3.2.1 主控制器設計

主控制器采用ST公司生產的STM32F405RGT6。處理器使用的是32位的ARM架構處理器，最高主頻可以達到168MHz，他的內部自帶1M的Flash內存，不需要外加內存條，外部用的是64引腳的封裝，是由3路SPI總線和2路CAN總線組成，完全足夠系統的正常運算需要。

3.2.2 CAN總線通信電路

BMU和BCU之間的信息傳遞是由CAN總線傳遞的，我們使用的時候TJ1040T芯片。儲存系統由多節單體電池串聯成一組電池，為了防止在不同電壓下CAN芯片損傷，我們在CAN他的通信接口和他的收發芯片兩者之間串入了ADUM1201BRZ雙向磁隔離器來隔離信號的干擾，而且我們把CAN收發器的輸入端與120Ω的電阻并聯起來，用來抑制回波反射現象。CAN總線通信電路如圖4所示。

4 BMS系統軟件設計

4.1 初始化MC33771

為了更好地對數據進行采集，我們首先需要對MC33771進行初始化設計，增加一些我們需要的功能。

4.2 電壓溫度采樣

完成初始化過程后，即可對MC33771下發信息收集的指令，而MC33771則主要收集各節電池的壓力和溫度等數據。先把切換指令輸入ADC_CFG寄存器中，迫使其中MC33771開始切換，待切換完畢后，再讀出對應的MEAS_CELL或MEAS_AN寄存器中的數據，并利用此公式算出真實的電流和溫度信號。具體的采樣過程如圖5所給出。

4.3 電流采樣

電流采樣是通過Aducm331電流采樣芯片完成的，需要對Aducm331的相關寄存器進行配置，具體流程如圖6所示。

4.4 試驗分析

把2組14的串鈦酸鋰電池PACK用來進行測試，來收集分析電池的電壓、電流以及溫度的精確度。由此可知，本系統能夠滿足實際系統需求。

5 結論

現在，各個國家都面臨著環境和能源問題，純電動汽車由于他的動力供給成為了各國發展的趨勢，無論是在節能還是環保等問題上，都有著燃油車無法比擬的優勢。我國由于是一個石油進口大國，每年都需要進口大量的石油來保證我們國內正常的工業生活所需。為了擺脫這種局面，發展新能源電車勢在必得。電池系統是電動汽車的最主要核心技術，電池管理系統的好壞決定了這個電車的發展。他是電動汽車續航高迪低的關鍵技術，主要負責電車剩余續航的測量、估算和預警等主要功能，為確保動力電池系統正常工作運轉，提高電動汽車安全性，保證電池使用壽命的關鍵技術。

此次設計的BMS系統通過傳感器的零件可以實時精確監控采集到電池的溫度、電壓、電流等一系類電池數據，通過分析這一些數據，來對電池進行有效檢測，避免電池故障的發生，也可以通過BMS系統來對電池進行保護，避免超高溫度、超低溫度對電池的損害，發生事故。也可以對電池組剩余電量進行檢測，對電池組SOC估算更加精準，避免用戶對于電車續航的焦慮，以滿足實際的應用需求。

參考文獻：

[1]翁志福.新能源汽車動力電池管理系統研究[D].西南交通大學，2019.

[2]陳寶民.電動汽車電池管理系統設計[D].燕山大學，2014.

[3]金強，李軍.鋰離子動力電池建模方法綜述[J].汽車工程師，2021（07）：11-14.